Batterie ceramiche: meno costose e più durature del litio, ma…

I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Vienna hanno sviluppato una batteria agli ioni di ossigeno basata su materiali ceramici che ha una durata maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio.
La nuova batteria può essere rigenerata e non richiede elementi rari, il che la rende una soluzione ideale per i grandi sistemi di accumulo di energia.
Sebbene la densità energetica della batteria sia inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio, i suoi punti di forza sono la lunga durata e il fatto di essere incombustibile.

Gli scienziati della Vienna University of Technology hanno inventato una nuova chimica per batterie agli ioni di ossigeno basata su materiali ceramici.  In caso di degradazione può essere rigenerata, quindi potenzialmente ha una durata di vita estremamente lunga. Inoltre, non richiede elementi rari ed è incombustibile. Per i grandi sistemi di accumulo di energia, questa potrebbe essere una soluzione ottimale.

Le batterie agli ioni di litio sono oggi molto diffuse, dalle auto elettriche agli smartphone. Ma questo non significa che siano la soluzione migliore per tutti i settori di applicazione. La TU Wien è riuscita a sviluppare una batteria agli ioni di ossigeno che presenta alcuni importanti vantaggi. Sebbene non permetta di ottenere densità energetiche così elevate come le batterie agli ioni di litio, la sua capacità di accumulo non diminuisce irrimediabilmente nel tempo: può essere rigenerata e quindi può consentire una durata estremamente lunga.

Inoltre, le batterie agli ioni di ossigeno possono essere prodotte senza elementi rari e sono costituite da materiali incombustibili. Una domanda di brevetto per la nuova idea di batteria è già stata depositata insieme a partner spagnoli. La batteria agli ioni di ossigeno potrebbe essere una soluzione eccellente per i grandi sistemi di accumulo di energia, ad esempio per immagazzinare energia elettrica da fonti rinnovabili.

L’articolo che descrive la ricerca “Batterie ricaricabili agli ioni di ossido basate su elettrodi di ossido a conduzione mista” è stato pubblicato sulla rivista Advanced Energy Materials.

Alexander Schmid, dell’Istituto per le tecnologie chimiche e analitiche della TU Wien, ha dichiarato: “Da tempo abbiamo molta esperienza con i materiali ceramici che possono essere utilizzati per le celle a combustibile. Questo ci ha dato l’idea di indagare se tali materiali potessero essere adatti anche per la produzione di una batteria”.

I materiali ceramici studiati dal team della TU Wien possono assorbire e rilasciare ioni di ossigeno con carica doppiamente negativa. Quando viene applicata una tensione elettrica, gli ioni di ossigeno migrano da un materiale ceramico all’altro, dopodiché possono essere fatti migrare di nuovo, generando così corrente elettrica.

Il professor Jürgen Fleig ha spiegato: “Il principio di base è molto simile a quello della batteria agli ioni di litio. Ma i nostri materiali presentano alcuni importanti vantaggi”.

La ceramica non è infiammabile, quindi gli incidenti d’incendio, che si verificano spesso con le batterie agli ioni di litio, sono praticamente esclusi. Inoltre, non c’è bisogno di elementi rari, che sono costosi o possono essere estratti solo in modo dannoso per l’ambiente.

Tobias Huber ha ampliato la spiegazione: “A questo proposito, l’uso di materiali ceramici è un grande vantaggio perché possono essere adattati molto bene. È possibile sostituire alcuni elementi difficili da ottenere con altri relativamente facili”.

Il prototipo della batteria utilizza ancora il lantanio, un elemento non proprio raro ma nemmeno del tutto comune. Ma anche il lantanio deve essere sostituito da qualcosa di più economico, e la ricerca in questo senso è già in corso. Il cobalto o il nichel, che sono utilizzati in molte batterie, non verranno utilizzati affatto.
Il vantaggio più importante della nuova tecnologia delle batterie è la sua potenziale longevità. “In molte batterie c’è il problema che a un certo punto i portatori di carica non possono più muoversi”, ha detto Alexander Schmid. “Allora non possono più essere utilizzati per generare elettricità, la capacità della batteria diminuisce. Dopo molti cicli di ricarica, questo può diventare un problema serio”. La batteria agli ioni di ossigeno, invece, può essere rigenerata senza problemi: Se l’ossigeno viene perso a causa di reazioni collaterali, la perdita può essere semplicemente compensata con l’ossigeno atmosferico.

Il nuovo concetto di batteria non è destinato agli smartphone o alle auto elettriche, perché la batteria agli ioni di ossigeno raggiunge solo circa un terzo della densità energetica a cui si è abituati con le batterie agli ioni di litio e funziona a temperature comprese tra 200 e 400° C. La tecnologia è tuttavia estremamente interessante per l’immagazzinamento di energia. Alexander Schmid ne parla così: “Se si ha bisogno di un grande accumulatore di energia per immagazzinare temporaneamente, ad esempio, l’energia solare o eolica, la batteria agli ioni di ossigeno potrebbe essere una soluzione eccellente. Se si costruisce un intero edificio pieno di moduli di accumulo di energia, la minore densità energetica e l’aumento della temperatura di esercizio non giocano un ruolo decisivo. Ma i punti di forza della nostra batteria sarebbero particolarmente importanti in questo caso: la lunga durata, la possibilità di produrre grandi quantità di questi materiali senza elementi rari e il fatto che con queste batterie non c’è pericolo di incendio.”

Quindi il litio ha una densità di carica maggiore, ma, nello stesso tempo, dura molto meno e costa molto di più rispetto a quelle a ioni di ossogeno. Quindi per alcuni usi possono essere immediatamente competitive, senza considerare che la ricerca può, nel tempo, migliorare la densità e ridurre la temperatura d’uso di questa tecnologia. Certo la necessità di raggiungere alte temperature è un problema, ma non insormontabile per l’ingegneria moderna.